孔隙水溶液对高岭土变形特性的影响机理

摘要

人类的任何工程建筑活动都是在地壳表层的岩土体中进行的，任何建筑物均是以岩土体作为建筑地基、建筑介质或建筑材料。而无论是自然沉积还是人工堆填的岩土体都是由多种组份构成，且其固体骨架通常带有剩余电荷，与土中水充分接触时，因黏土颗粒与水分子均存在不平衡的电荷分布，加之孔隙水中包含着不同价位的离子。在化学作用等环境荷载作用下，作为一种多相多组分孔隙材料其将表现出极为复杂的化学-力学耦合效应及工程力学行为，对建筑物的修建及建成后的安全、稳定和正常使用有着重大影响。然而现有的岩土力学理论在描述复杂环境荷载作用下岩土体的化学-力学行为时仍存在着明显的局限性。这方面的不足已严重地制约了许多重大工程问题的有效解决。 本文以高岭土为研究对象，通过大量液塑限、自由沉降及一维侧限压缩等多种室内试验，系统研究了孔隙水化学成分变化对高岭土持水性、黏土颗粒排列和相互接触方式以及变形特性的影响规律。并从黏粒-孔隙溶液间物理化学作用以及颗粒间接触方式的变化等角度深入探讨了孔隙水化学成分变化对高岭土变形特性的作用机理。研究发现： （1）孔隙溶液成分改变对黏性土液、塑限的影响，与土孔隙中弱结合水和毛细水含量改变有关。对于活性较大的黏性土而言，以弱结合水含量改变占主导，表现为液、塑限随孔隙溶液浓度或阳离子化合价增加而减小。 （2）孔隙溶液成分对高岭土沉积物孔隙比的控制规律受高岭石晶体表面带电性、电荷密度以及由此诱发的颗粒排列和扩散层厚度变化有关。所有抑制双电层发育的因素均将促使黏土颗粒间形成孔隙较大E-E或E-F絮凝结构；反之，形成F-F分散结构。 （3）土体的变形依赖于其所受有效应力的变化，而有效应力随替换溶液浓度或阳离子化合价的升高，其增大的幅度将更大、更快。故在各级恒压下，化学诱导的最终变形量和变形速率随替换溶液浓度或阳离子化合价的升高而增大。 （4）孔隙溶液成分改变后土体压缩指数和固结系数将发生显著改变。其中，土体压缩性指数随孔隙溶液浓度增加而降低，原因在于，孔隙溶液浓度越高，土体受到的有效应力越大，导致后续力学加载前各试样所对应的初始密实度增大，从而压缩性减小。而同一孔隙溶液浓度，固结系数随上覆荷载的增大而增大；同一固结压力，孔隙溶液浓度越高所对应的固结系数却越小，其变化规律与渗透系数k和体积压缩系数mv随固结应力和浓度的变化有关。 （5）对于一维压缩试验，水化学成分变化对活性较大的高岭土变形的影响与所经历的机械力加载路径无关；并且高岭土遭受化学溶液侵蚀作用后，试样的变形是不可逆的，这主要与化学诱导的变形机制有关，即变形是以颗粒的滑动或者滚动作用下引起颗粒重排为主导。